编辑推荐：
研究人员为解决内耳原代细胞（IEP）检测难题，开发 IEP-CDS 系统，其性能优于商业软件，意义重大。
### 一、研究背景
听力损失和平衡失调影响着全球约 5% 的人口，这些问题的根源在内耳。内耳器官 oid（一种潜在的多细胞人体体外组合）为听力损失相关的再生医学、药物开发和医疗器械设计带来了希望。其中，激活内耳感觉上皮中的祖细胞，或用诱导多能干细胞（iPSCs）衍生的细胞替代受损的毛细胞，是药物开发研究的重要方向。
然而，当前研究面临诸多挑战。提取内耳原代细胞（IEP）过程复杂，且需牺牲实验小鼠。IEP 细胞包含多种细胞类型，如祖细胞，它能分化为毛细胞祖细胞或神经祖细胞。但目前难以精准控制细胞分化，获取 100% 的特定细胞类型（如毛细胞或神经相关细胞）也困难重重，现有的细胞分选技术不仅损伤脆弱细胞，还无法提供细胞间相互作用的信息。
同时，在细胞检测方面，商业细胞计数软件存在缺陷，一次只能计数一种细胞类型，在细胞聚集区域易出错，且每次计数至少需 5 分钟。基于深度学习的 YOLO 模型虽广泛用于细胞计数检测，但在细胞聚集区域同样不够精确，此前相关研究使用图像数量多且未发布数据集。因此，开发一种可靠、高效的内耳原代细胞检测方法迫在眉睫。
二、研究团队与研究目的
国立中央大学的研究人员针对上述问题，开展了内耳多原代细胞检测系统（Inner Ear Multiple Primary Cell Type Detection System，IEP-CDS）的研究，旨在解决内耳原代细胞检测的数据局限和检测误差问题，提高检测效率，减少实验小鼠的牺牲，为内耳器官 oid 的细胞治疗发展提供支持。
三、研究方法
- 数据收集：选用出生 0 - 2 天、过表达绿色荧光蛋白的 FVB/N-Tg (GFP) 转基因小鼠，经一系列处理后提取内耳原代细胞，进行细胞荧光染色，使用 Zeiss LSM900 共聚焦显微镜获取图像。
- 图像增强：采用 “提取与增强方法（E&A）”，结合 YOLOv4 的 “mosaic” 和 “mix-up” 技术，将细胞从图像中提取出来，进行水平翻转、垂直翻转、旋转等变换，粘贴到新背景图像上，使每个类别的细胞数量增加到 700 个。
- 图像预处理：利用高斯模糊和归一化增强处理图像，高斯模糊减少边缘不连续性，归一化增强避免过度平滑关键特征，最后使用 canny 边缘检测提取细胞特征。
- 检测模型训练：在 IEP-CDS 中开发 YOLOv4、YOLOv7 和 YOLOv8 模型，利用划分网格的方式预测边界框和类概率，完成细胞的定位和分类。
四、研究结果
- 数据记录与分离：生物工程专家对收集的数据进行标注，IEP 细胞核图像数据以 8 位灰度、1024×1024 的 Jpeg 格式存储。训练集经 E&A 处理扩充，验证集和测试集用于评估模型性能。
- 技术验证：将 IEP-CDS 的 YOLO 模型与商业细胞计数软件对比，使用 mAP（平均精度均值）和 F1 分数衡量准确性和有效性。结果显示，所有 YOLO 模型的检测结果均优于商业软件。其中，IEP-CDS 结合 YOLOv4 在测试集中达到最高的宏观平均 F1 分数 0.488，商业软件在验证集和测试集的宏观平均 F1 分数分别仅为 0.438 和 0.371。在细胞聚集区域，商业软件易出错，而 IEP-CDS 能更准确地检测细胞。
- 消融研究：对图像增强和图像预处理进行消融研究。结果表明，结合 E&A、mosaic 和 mix-up 的 IEP 增强方法能使 YOLO 模型获得最佳 mAP 性能；结合图像增强、高斯模糊和归一化增强的 IEP-CDS 方法，相比单独使用其他方法，能提高 YOLO 模型 5 - 10% 的性能，有效检测和分类细胞。
- 训练和推理时间：在 RTX 3090 上训练 6000 个 epoch，YOLOv4、YOLOv7 和 YOLOv8 的训练时间分别为 161 分钟、130 分钟和 89 分钟。推理速度方面，YOLOv4 每幅图像处理时间为 9.4 毫秒，YOLOv7 为 77.5 毫秒，YOLOv8 为 2.6 毫秒，均小于 1 秒，适合生物工程应用。
五、研究结论与意义
IEP-CDS 系统通过图像增强和预处理，有效解决了内耳原代细胞检测的数据不足和细胞聚集区域检测误差问题。该系统在细胞检测和计数性能上表现出色，其平均精度均值大于 0.5，远超商业软件的 0.35。IEP-CDS 系统的开发，为内耳原代细胞的研究提供了有力工具，有助于精准监测细胞转化，提高内耳器官 oid 构建效率，推动内耳疾病的细胞治疗发展。研究人员发布的带有专业标注的数据以及提出的预处理方法，为相关领域的研究奠定了重要基础，是内耳器官 oid 细胞治疗领域的重要进展，相关成果发表在《Scientific Data》上，有望为后续研究开辟新方向，促进该领域的进一步发展。
